低压配电网电力线载波通信与新技术.doc

低压配电网电力线载波通信与新技术2006/08/03 10:49 A.M.009ZZZMSmiLetogEther 科普新视点刘晓胜 胡永军 张胜友哈尔滨工业大学电气工程学院 2006年第25卷第2期 电气应用引言：近年来，电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）技术已经成为通信系统中新的研究热点，它被看成一种未来重要的现场设备总线通信技术。然而，作为一种具有光明前景的通信方式，电力载波通信由于具有时变性、频率选择性等固有特点，使其在具体应用中还存在很多问题亟待解决。 电力载波通信特点 1、电力线载波通信技术概况 电力线载波通信（PLC）是指利用专用调制解调器对信号进行调制，然后把信号加载到现有电力线中进行通信的技术。早在20世纪20年代电力载波通信就开始应用到lOkV配电网络线路通信中，利用电力载波机和阻波器，在中高压配电网中传输语音、控制指令和系统状态等信息，并形成了相关国际和国家标准。对于低压配电网来说，许多新兴的数字技术，例如扩频通信技术、数字信号处理技术和计算机控制技术等，大大提高和改善了低压配电网电力载波通信的可用性和可靠性，使电力载波通信技术具有更加诱人的应用前景。为此，美国联邦通信委员会FCC规定了电力线频带宽度为100450kHz；欧洲电气标准委员会（CENELEC）的EN50065- 1规定电力载波频带为3148.5kHz。这些标准的建立为电力载波技术的发展做出了显著贡献。尽管如此，低压配电网电力线载波通信中的很多问题仍没有得到很好解决。同时，随着电力载波应用领域的推广和扩大，低压配电网电力载波通信成本问题、协议（标准）问题、安全问题等一系列问题也开始浮出水面。低压配电网电力线载波通信的实用化还面临着许多考验。 2、电力线载波通信特点 就低压配电网来说，电力线载波通信一般具有以下特点： （1）通信信道的时变性 对载波信号来说，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的电力负载在低压配电网的任意位置随机地投入和断开，使信道表现出很强的时变性。 （2）通信信道的频率选择性 正是由于低压配电网中存在负荷情非常复杂、负载变化幅度大、噪声类多且强等特点，各节点阻抗不配，信号很容易产生反射、驻波、振等现象，使信号的衰减变得极复杂，造成电力载波通信信道具很强的频率选择性。 （3）噪声干扰强而信号衰减一般来说，影响电力通信噪声要有以下三种，即背景噪声、周期噪声和突发性噪声。背景噪声一般分布在整个通信频带；周期性噪声包括周期性的连续干扰和周期性的脉冲干扰；突发性噪声一般是由用电设备的随机投入或断开而产生的。研究表明，脉冲干扰对低压电力线载波通信的质量影响最大，信号衰减可达40dB。 正是因为具有上述特点，使得电力载波通信在实际应用过程中一直面临着可用性与可靠性的考验。 电力线载波通信种类与新技术 1 电力线载波通信种类 从使用的带宽角度来说，电力线载波通信分为宽带电力线载波通信和窄带电力线载波通信。所谓电力线宽带 （Broadband over PowerLine，BPL）通信技术就是指带宽限定在230MHz之问、通信速率通常在1Mbits以上的电力线载波通信技术，它多采用各种扩频通信技术，是目前研究“四网（宽带数据网、电话网、有线电视网和低压配电网）融合”的关键技术之一。所谓窄带电力线载波通信技术就是指带宽限定在3500kHz、通信速率小于1Mbits的电力线载波通信技术，它多采用普通的PSK技术、DSSS技术和线性调频Chirp技术等。 从技术发展的角度来说，电力线载波通信分为传统的频带传输技术和目前流行的扩频通信（SpreadSpectrum Communication，ssc）技术。所谓频带传输就是用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上。其基本的调制方式分为幅值键控（ASK）、频率键控（FSK）和相位键控（PSK）以及相戈派生调制技术。传统的载波通信原理的最大的弱点就是去噪能力有限；所谓扩展频谱通信是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，频带的展宽是通过编码及调制的方法来文现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。目前电力线载波通信常用的扩频技术主要有：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectnlm，DSSS）、线性调频（Chirp）和正交频分复用（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM）等。此外，跳频（Frequency Hopping，FH），跳时（TimeHopping，TH）以及上述各种方式的组合扩频技术也较为常用。 2 电力线载波通信新技术 实现低压配电网电力线载波可靠通信，需要很多新技术来支撑。这里列举了作者认为重要的几项技术。 21正交频分复用（OFDM） 正交频分复用（OFDM）是一种被电力载波通信行业普遍看好的高效多载波宽带数字调制技术，采用一组相互正交的子载波构成信道来传输数据流，这些载波在频率上等间隔地分布，载波间隔一般取码元周期的倒数。它采用并行调制技术、长码元周期、FFT/ IFFT调制与解调技术，使OFDM具有频带利用率高、抗ISI干扰能力强、抗信道衰落好、抗噪声干扰强、易实现等一系列优点；由于OFDM通过动态选择子载波，可以减少窄带干扰和频率谷点的影响；即便是在配电网受到严重干扰的情况下，OFDM也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，而且通过适当的纠错技术可以确保数据可靠传输。OFDM是目前电力载波宽带通信的首选技术，跳频OFDM方式在无线通信中被选作IEEE802153a标准的另一个方案。尽管OFDM具有很多优点，但是，它也存在一定的缺点：对频偏和相位噪声比较敏感，1的频偏会使信噪比下降30dB。功率峰值与均值I：L（PAPR）大，降低了驱动放大电路的效率。接收机结构复杂，成本高，同时对瞬间干扰敏感。此外，对于电力线载波通信的安全性方面没有任何措施。 22跳频（FH） 跳频（FH）是一种无线通信中最常用的扩频方式。工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律（一组伪随机码PN，PseudoNoise）进行离散变化，通信中使用的载波频率受伪随机码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式；从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的信号。因此，跳频通信在某一特定频点上仍为普通调制技术。跳频系统根据频率变化的快慢，通常分为快跳频和慢跳频。目前在军事领域广泛应用了快跳频通信技术。随着电子对抗的加剧，在快跳频的基础上，产生了自适应跳频，进一步提高抗截获和抗干扰目的。慢跳频则主要应用于民用领域。 跳频通信在电力载波通信中应用具有很强的适用性：适应电力线的强干扰环境。低压配电网噪声干扰强，并且噪声不是分布在所有频段内，可用信道是变化的，跳频技术恰好可以满足这一需要。适应低压配电网频率选择性衰减。低压配电网负载复杂，且具有时变性，各种干扰和信道特性均无法“长期”预测。跳频系统则可以根据预设跳频图案，自动切换载波频率，避开干扰源频点，同时也可以根据信道估计的结果，通过自适应跳频，选择适宜信道，实现可靠通信。 可以看出。相对FSK、OFDM、Chirp等通信系统，跳频系统具有以下优点：普通跳频系统只需在常规调制方式中增加载频跳力，实现设备相对简单。跳频系统具有很强的抗干扰能力，并对频率性衰减有抑制作用。 可以多址_丁作，无ICI和ISI干扰。跳频序列的扩频码跳变速率较低，易于实现。跳频技术在低压配电网电力线载波通信中的应用不仅是新的技术增长点，而且在网络安全日益重要的今天，该技术将起到不可替代的作用。 23混沌（Chaos） 混沌有很多种定义，其本质特征在于描述事物对“初始条件高度敏感（蝴蝶效应）”的高度非线性特性，它揭示了“在看似无序的事物中蕴含着有序”的道理。由于初始值间任意小的差别在迭代中将被指数放大，使得混沌序列具有很强的多址性能。同时，混沌的长期行为还表现出明显的随机性和不可预测性，它的引入为改善跳频通信系统性能提供了一个新的途径。由于混沌系统对初始条件和混沌参数非常敏感，能够产生大量、非相关、类随机但为确定性和可再生的非周期性信号等特点，使其非常适合用作抗干扰和保密通信的伪随机码序列。此外，混沌同步驱动也将大大改进通信的安全性。目前混沌序列是保密通信中的研究热点。 24网络自组与重构 由于低压配电网物理网络拓扑结构会经常发生变化，且逻辑拓扑随信道质量而变化，因此，电力载波通信在多点组成网络时，具有与无线移动通信相类似的特征。 自组（AD Hoc）网是一种不需要同定路由器就能够实现自治运行的无线多跳网络。在无线AdHoe网中，每个节点既是主机，又可以是路由器。因此，在低压配电网电力线载波通信中采用网络自组与重构技术，具有以下优点：可以根据电力线信道质量变化，自动侦测可通信逻辑节点，动态调整路由配置，在网络链路层保持可靠连接。 自动探测最佳中继节点，动态配置中继信息，自动识别节点投入或切除。可见，采用这种网络自组与重构技术，可以实现低压配电网中点到点、点到多点的可靠通信。当然，该技术对底层硬件平台要求较高。 结束语 毫无疑问，电力载波通信具有诱人的发展前景。但是，由于低压配电网本身的特点，目前在实际大规模使用电力载波通信时还会遇到很多问题。现仅就以下几个问题阐述一下作者的观点。 （1）抗干扰问题与对策 尽管OFDM是一种被电力载波通信行业普遍看好的高效调制技术，然而，在电力线信带有限的情况下，紧紧依靠OFDM技术还具有一定的局限性。为此，一方面采用OFDM与跳频相结合技术将进一步改善电力载波通信的可靠性；另一方面还可以考虑采用混沌理论，提高抗通信介质开放的低压配电网